Конструкция и расчет металлургических ковшей для цветных металлов.

В цветной металлургии широко применяются ковши для транспортирования жидких продуктов плавки, для заливки металла, шлака и штейна в печи.

Ковши, вместимостью до 2 м³ изготавливаются литыми. Эти ковши имеют конусообразный симметричный внутренний профиль с плоским горизонтальным днищем. Для разливки они снабжены одним или двумя разливочными носиками.

У сварных ковшей корпус состоит из отдельных обечаек. Толщина сварного днища несколько больше, чем у корпуса. Днище выполнено со слегка сферическим профилем, повышающим жесткость ковша. С этой же целью на уровне цапфы расположены нижний и верхний пояса жесткости в виде толстых кольцевых плит. Между ними заложены две цапфовые плиты с расклинивающимися поперечными стойками.

Основным параметром ковшей является и объем:

, где

и - радиусы верхнего и нижнего основного жидкого металла;

- высота от днища до сливного носка.

Разливка металла производится в две стадии. При кантовании на угол - металл из ковша активно выливается. При достижении угла в ковше металла не должно остаться.

Для ковшей со стандартным соотношением размеров угол и угол , а отношение параметров и . Тогда для любого угла поворота на угол , оставшийся объем жидкого металла в ковше равен:

_.

При последующем кантовании оставшийся в ковше объем металла составляет:

, где

А и В – коэффициенты при различных углах наклона ковша.

Когда отношение размеров ковшей отличаются от стандартных, необходимо провести графоаналитический расчет объема жидкого металла в ковше.

С этой целью вычисляется момент кантования порожнего ковша, жидкого металла и момент трения в цапфах.

Их сумма определяет общий момент кантования ковша и усилие канатов Т крана, осуществляющего заливку жидкого металла в печь:

, где

- расстояние от цапфы до оси кантующего каната.

Момент кантования порожнего ковша определяется его центром тяжести:

, где

- центр тяжести i-го элемента, массой G_i.

.

Момент сопротивления кантованию от сопротивления повороту жидкого металла вычисляется графоаналитическим методом. При этом расчете условно ковш принимается неподвижным, а зеркало металла наклоняющемся на угол φ.

Общий центр тяжести ковша с металлом при угле поворота φ составит:

;

Рис. 28 Схема к расчету момента опрокидывания ковша с металлом.

, где

для симметричного ковша координаты:

;

, где

и - сила тяжести металла и ковша.

Момент кантования металла и ковша:

, где

и - положение осей цапфы.

Положение устойчивого равновесия при кантовании характеризуется тем, что в случае отклонения системы от равновесия, она сама возвращается в исходное положение, так как .

Подбором положений и для любых углов φ устанавливается положение цапфы, обеспечивающее устойчивость ковша с металлом.

Для стандартных конструкций ковшей с точностью до 5 % моменты кантования определяются зависимостями:

- жидкий металл;

- порожнего ковша;

- трения в цапфах, где

- угол кантования в градусах;

- удельный вес жидкого метала;

- коэффициент трения крюка о цапфу;

- диаметр цапф.

Прочность ковша рассчитывают по основным его элементам – днищу, кольцам жесткости и кожуху.

Напряжение в плоском днище определяется по зависимости:

, где

- гидростатическое давление жидкого расплава;

- толщина днища;

- уменьшение толщины днища при эксплуатации вследствие коррозии ( мм.);

- допускаемое напряжение материала;

МПа.

При сферическом днище:

, где

- радиус ковша;

- коэффициент кривизны, .

Напряжения в нижнем кольце жесткости:

.

Напряжения в верхнем кольце жесткости:

, где

- суммарный вес ковша и жидкого металла;

- расстояние между центрами цапф;

- радиус кольца жесткости;

, - радиусы центров тяжести верхнего и нижнего колец;

, - расстояние от центра тяжести колец до стыка кожуха с днищем;

, - расстояние от наиболее удаленных точек колец жесткости до центров тяжести сечения колец; - при расчете колец в месте расположения цапфовой плиты;

- коэффициент неравномерности нагружений;

;

, - моменты инерции сечений верхнего и нижнего колец.